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Experimento sobre caos cuántico. Foto: Instituto Max Planck.

Científicos del Max Planck en Alemania demuestran por primera vez la existencia de caos cuántico durante la ionización de átomos. Han usado un láser para liberar electrones de un haz de átomos de Rubidio en un montaje similar a los primeros experimentos en Mecánica Cuántica sobre el efecto fotoeléctrico. Han medido la típica fluctuación en la corriente de electrones que aparece debido al movimiento caótico de los electrones.
Primero hemos de aclarar qué es esto del caos. En este contexto caos no significa que exista un comportamiento caprichoso o aleatorio. Cuando en Física se habla de caos se suele referir a Caos Determinista. Ciertos sistemas son predeciblemente impredecibles. Es decir, podemos saber de antemano que no podemos predecir cómo acabará. Así, el tiempo atmosférico es un sistema caótico bajo esta definición pues sabemos que a la larga no podemos predecir su comportamiento, pues es muy sensible a las condiciones iniciales (el famoso “efecto mariposa” que dice, metáforicamente, que el batir de alas de una mariposa en la selva del Amazonas produce tormentas en la India) y el resultado final puede cambiar fuertemente. Podemos incluso escribir las ecuaciones del sistema, pero estas son «inestables» a las condiciones iniciales, y necesitariamos una precisión infinita en éstas para obtener una precicción válida a largo plazo.
Otros sistemas son deterministas, como pueda ser la caída de un grave. Y por ejemplo en este caso no solemos tirarnos desde un edifico elevado porque sabemos muy bien como terminaría la aventura. Pequeñas variaciones en las condiciones iniciales producen pequeñas variaciones en el estado final. Las ecuaciones se comportan bien y aunque nos equivoquemos un poco en las condiciones iniciales que introduzcamos en ellas nos darán de todos modos una predicción más o menos correcta.
El caos determinista se estudió hace ya algunas décadas y está demostrada sus existencia para objetos macroscópicos.
Se han realizado diversos trabajos sobre la posible existencia de caos determinista en el mundo cuántico (el mundo microscópico de las partículas, átomos y moléculas) buscando similitudes con el caos determinista del mundo macroscópico.
En el instituto Max Planck han estado buscando evidencias experimentales de tales efectos y ahora parecen haber tenido éxito. Gernot Stania y Herbert Walther han encontrado, en un experimento similar al efecto fotoeléctrico, evidencias de la existencia de dicho caos cuántico determinista.
En el experimento clásico se iluminaba una placa metálica recubierta con un metal alcalino. Si la luz estaba por encima de determinada frecuencia los electrones saltaban de dicha placa al otro electrodo produciendo una pequeña corriente eléctrica. Albert Einstein publicó la explicación de dicho efecto hace exactamente cien años y por ese descubrimiento ganó el premio Nobel de Física en 1921. La explicación del efecto fotoeléctrico y la del cuerpo negro sentaron los cimientos de la Mecánica Cuántica.
Estos otros investigadores han adaptado este tipo de experimento y en lugar de una placa metálica han utilizado un haz de átomos de Rubidio (ver imagen). Entonces los átomos son expuestos a un campo eléctrico y magnético simultáneamente, ambos de alta intensidad, y a la vez son bombardeados por un láser para que liberen electrones.
Estos electrones están sujetos a diferentes fuerzas debidas a los campos aplicados y a los campos electrostáticos propios de los átomos de Rubidio que inducen diferentes tipos de movimientos en ellos. Según una de estas fuerzas prevalezca sobre las otras el movimiento es determinista o caótico.
El movimiento caótico se demuestra porque el haz de electrones fluctúa de un modo especial que encaja con la energía de los fotones. Estas fluctuaciones se denominan “fluctuaciones de Ericson”. Los investigadores han demostrado la presencia de estas fluctuaciones y además han sido capaces de de ajustar el estado inicial de la intensidad de los campos para que dicho caos se presente en el grado deseado de acuerdo a las reglas del caos determinista del mundo macroscópico. De este modo han mostrado la conexión entre caos determinista y fluctuaciones de la fotocorriente. Cuanto más caóticamente reacciona el sistema (según las reglas del caos determinista) más fuertes son las fluctuaciones medidas.

Referencias:

Physical Review Letters, November 4, 2005.
Instituto Max Planck (pinchar en «NEWS»).